一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于物理模拟实验中的相似材料配比的综合确定方法，包括：1)选取典型性质岩层的物理相似材料，按照骨料、胶结材料和添加剂的不同配比，分别制作出系列物理相似材料，建立数据库；2)选定物理模拟实验架型，确定物理相似材料类型和相似比例；3)确定物理模拟实验模型各个模拟岩层力学参数；4)确定物理模拟实验模型各种类、配比及详细消耗量；5)生成物理相似材料配比方案进行实验模型铺装；6)按照物理模拟实验方案进行室内实验，评价数值分析，修正物理配比方案，建立各个矿区地层物理相似材料配比数据库。方法步骤简单、规范合理且简单易行，能有效改善实验中规范性较差、定性分析多、精确度不够、可重复性差的情况。
【专利说明】一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，特别适用于煤矿 开采领域内物理相似模拟实验方法，属于矿山灾害防治领域。
【背景技术】
[0002] 物理相似材料模拟实验是我国煤矿开采和矿山岩层控制技术研究和工程应用的 重要方法之一。其实质是：采用与原型（岩体、大坝或其它工程构筑物）力学性质相似的材 料按照几何相似的一定的比例缩制成实验模型，在模型上人工开挖成各类地下工程结构， 如矿山巷道和硐室、长壁工作面采场等。具体在矿山压力与岩层控制方面的应用，是通过观 察实验模型和研究工程围岩体的变形、移动和破坏等力学现象，以及作用于支护结构上的 力，来实现地下工程结构、煤矿开采围岩结构变形和破坏机制。由于物理相似模拟方法具有 成熟的相似理论基础，在真实反映地下工程结构的空间关系、施工工艺、荷载的作用方式及 时间效应、围岩稳定性状况、再现工程结构体真实受力、变形、破坏全过程方面均具有不可 替代的独特优势，且能直观、动态地模拟整个系统从弹性、弹塑性直到破坏失稳的发生发展 全过程，至今仍然成为煤矿开采领域内地下工程稳定性分析的主要方法之一。
[0003] 但是与近年来发展迅速的计算机数值方法相比，物理模拟方法在相似材料类型选 择、实验准确性、可重复性等方面的发展存在一定的不足，给这种方法的进一步发展提出了 更高的要求。
【发明内容】
[0004] 为了进一步改善现在物理相似模拟实验方法中规范性较差、定性分析多、精确度 不够、可重复性差的情况，本发明提供一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法， 可有利于实现物理相似模拟实验的准确预测和可重复性。
[0005] 本发明采用的技术方案是：
[0006] -种用于物理模拟实验中的相似材料配比的确定方法，包括下述步骤：
[0007] 1)选取常规岩层物理相似材料、固液耦合相似材料和特殊地层物理相似材料作为 典型性质岩层的物理相似材料，按照骨料、胶结材料和添加剂的不同配比，分别制作出具有 不同强度和变形指标的系列物理相似材料，并建立系列物理相似材料配比数据库；
[0008] 2)根据物理模拟实验研究目的及具体工程地质条件，选定物理模拟实验架型及尺 寸，同时确定物理模拟实验的物理相似材料类型和相似比例；
[0009] 3)根据地层柱状图及各个岩层力学参数，确定物理模拟实验模型各个模拟岩层力 学参数；
[0010]4)对比物理相似材料类型与配比数据库，根据物理模拟实验模型尺寸，确定物理 模拟实验模型各个岩层配比及材料消耗量；
[0011] 5)根据上述确定结果，生成物理模拟实验物理相似材料配比方案，按照配比方案， 准备符合要求的物理相似材料，进行物理模拟实验模型铺装；
[0012] 6)按照物理模拟实验方案进行室内实验，根据实验结果对物理相似材料配比方案 进行评价；对研究对象和工程问题进行数值分析，将数值分析结果信息与实验结果分析，修 正物理相似材料配比方案，建立各个矿区地层物理相似材料配比数据库。
[0013] 进一步地，所述常规岩层物理相似材料、固液耦合相似材料和特殊地层物理相似 材料，物理模拟实验相似比（物理模型与实际地层结构的相似比例）为1 :1〇〇、1 :200、1: 300 或 1 :500。
[0014] 进一步地，所述常规岩层物理相似材料由下述质量比的原料构成：
[0015] 常规岩层骨料 80 %?90%;
[0016] 常规岩层胶结材料 10%?20% ;
[0017] 所述常规岩层骨料为粒度为0. 15?0. 5mm的普通河砂；
[0018] 所述常规岩层胶结材料为石膏、大白粉。
[0019] 进一步地，所述常规岩层相似材料之间敷设有分层材料，所述分层材料为400-800 目的云母粉。
[0020] 进一步地，所述固液耦合相似材料由下述质量比的原料构成：
[0021] 固液耦合骨料 95 %?99%;
[0022] 固液耦合胶凝剂 1%?5%;
[0023] 所述固液耦合骨料为粒度0. 15?0. 5mm的普通河砂；
[0024] 所述固液耦合胶凝剂为熔度在42°?54°的优质石蜡。
[0025] 进一步地，所述特殊地层相似材料由下述质量比的原料构成：
[0026] 粘土层相似材料 80 %?90%;
[0027] 胶结材料 10 %?20%;
[0028] 所述粘土层相似材料选用石英砂、膨润土为骨料；
[0029] 所述胶结材料为硅油和凡士林。
[0030] 进一步地，步骤3)中，所述根据地层柱状图及各个岩层力学参数，确定物理相似 模型各个模拟岩层力学参数，通过下述方法实现：
[0031] 1)由相似理论确定相似常数如下：
[0032] 几何相似：几何相似常数
【权利要求】
1. 一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在于，包括下述步骤： 1) 选取常规岩层物理相似材料、固液耦合相似材料和特殊地层物理相似材料作为典型 性质岩层的物理相似材料，按照骨料、胶结材料和添加剂的不同配比，分别制作出具有不同 强度和变形指标的系列物理相似材料，并建立系列物理相似材料配比数据库； 2) 根据物理模拟实验研究目的及具体工程地质条件，选定物理模拟实验架型及尺寸， 同时确定物理模拟实验的物理相似材料类型和相似比例； 3) 根据地层柱状图及各个岩层力学参数，确定物理模拟实验模型各个模拟岩层力学参 数； 4) 对比物理相似材料类型与配比数据库，根据物理模拟实验模型尺寸，确定物理模拟 实验模型各个岩层配比及材料消耗量； 5) 根据上述确定结果，生成物理模拟实验物理相似材料配比方案，按照配比方案，准备 符合要求的物理相似材料，进行物理模拟实验模型铺装； 6) 按照物理模拟实验方案进行室内实验，根据实验结果对物理相似材料配比方案进行 评价；对研究对象和工程问题进行数值分析，将数值分析结果信息与实验结果分析，修正物 理相似材料配比方案，建立各个矿区地层物理相似材料配比数据库。
2. 根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在 于，所述常规岩层物理相似材料、固液耦合相似材料和特殊地层物理相似材料，物理模拟实 验相似比为I:1〇〇、1 :200、1 :300 或 1 :500。
3. 根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在 于，所述常规岩层物理相似材料由下述质量比的原料构成： 常规岩层骨料 80 %?90 %; 常规岩层胶结材料 10%?20%; 所述常规岩层骨料为粒度为〇. 15?0. 5mm的普通河砂； 所述常规岩层胶结材料为石膏、大白粉。
4. 根据权利要求2所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在 于，所述常规岩层相似材料之间敷设有分层材料，所述分层材料为400-800目的云母粉。
5. 根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在 于，所述固液耦合相似材料由下述质量比的原料构成： 固液耦合骨料 98 %?99 %; 固液耦合胶凝剂 所述固液耦合骨料为粒度〇. 15?0. 5mm的普通河砂； 所述固液耦合胶凝剂为熔度在42°?54°的优质石蜡。
6. 根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在 于，所述特殊地层相似材料由下述质量比的原料构成： 粘土层相似材料 80 %?90 % ; 胶结材料 10 %?20 %; 所述粘土层相似材料选用石英砂、膨润土为骨料； 所述胶结材料为娃油和凡士林。
7. 根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在 于，步骤3)中，所述根据地层柱状图及各个岩层力学参数，确定物理相似模型各个模拟岩 层力学参数，通过下述方法实现： 1) 由相似理论确定相似常数如下： 几何相似：几何相似常数：A= ; 1 m 容重相似常数：％ =f=; /m 物理相似：时间相似条件：《, = 位移相似条件：as =ai; 强度、弹模、粘结力相似条件：α。=αΕ =a。=Ct1Cty; 式中，lp、Yp、tp*别为实际岩层的厚度、容重、实验时间；lm、Ym、tm分别为模拟岩层的 厚度、容重、实验时间；apαγ、at、as分别为几何、容重、时间、位移相似比例； 2) 确定模拟岩层力学参数： 模拟岩层强度 模拟岩层弹性模量： αμ., 模拟岩层粘结力：Cm = ; OLiCl. 式中，。p、Ep、Cp分别为实际岩层的强度、弹性模量、粘结力指标；σm、Em、Cm分别为模拟 岩层的强度、弹性模量、粘结力指标；apEy分别为几何、容重相似比例。
8. 根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在 于，步骤4)中，确定物理相似模型各个模拟岩层配比及材料消耗量，采用下述方式实现： 1) 首先根据物理模拟实验，确定物理模型尺寸、物理相似材料类型、相似比例，根据以 下公式计算获得模拟岩层的强度指标； 模拟岩层强度 uIur 式中，〇m为模拟岩层强度，〇ρ为实际岩层强度；a 分别为几何、容重相似比例； 2) 结合物理相似材料配比数据库，并确定物理模拟实验模型各个岩层配比及材料消耗 量； i )根据计算获得的模拟岩层力学参数，结合物理相似材料配比数据库数据，确定岩 层配比号； ii )根据选定的物理模拟实验模型尺寸，获得每铺装0.01m模拟岩层须消耗物理相似 材料总质量及各类相似材料质量。
9. 根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在 于，步骤6)中，所述按照物理模拟实验方案进行室内实验，通过下述方法实现： 1) 计算获得每一个岩层o.Olm厚度需要物理相似材料的消耗量，然后将制作具有不同 强度和变形指标的系列物理相似材料倒入选定的物理模拟实验模型内，铺平后捣实凝固， 并在模拟岩层中间划分节理和裂隙，同时铺装少量的分层云母材料，完成一个岩层〇.Olm 厚度模型铺装； 2) 按照地层柱状图特征，分层铺装各个岩层物理相似模拟材料，直到达到物理模拟实 验模型计算岩层或者高度； 3) 根据地层埋藏深度，计算物理模拟实验模型上方需要施加的地应力，然后在模型上 方施加相应的载荷； 4) 对物理模型进行开挖，采集开挖过程中物理模型内部应力、各个岩层下沉位移以及 关键岩层垮落步距、范围等基础实验数据； 5) 根据地层结构特征和工程研究问题，利用有限元或离散元数值模拟软件建立数值计 算模型，并进行数值分析，不同开挖步、时间条件下计算模型内部应力、各个岩层下沉位移 以及关键岩层垮落步距、范围等数据标准值；将数据标准值与物理模拟实验模型基础数据 进行对比； 6) 若上述相关岩层压力与变形数据差值大于10%，则对物理模拟模型中关键岩层的 物理相似材料配比进行修正，否则，满足要求，即完成物理模拟实验相似材料配比的综合确 定。
【文档编号】G01M99/00GK104458309SQ201410756690
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】高喜才 申请人:西安科技大学